半导体总复习.pptx

微电子与固体电子学院总复习n 1.1 半导体的晶体结构和结合性质半导体的晶体结构和结合性质n 1.2 半导体电子状态与能带半导体电子状态与能带n 1.3 半导体电子运动半导体电子运动 有效质量有效质量n 1.4 半导体中载流子的产生半导体中载流子的产生 导电机构导电机构n 1.5 Si、Ge、GaAs的能带结构的能带结构第一章第一章 半导体中的电子状态半导体中的电子状态 1.1 半导体的晶体结构和结合性质半导体的晶体结构和结合性质晶体结构：晶体结构：金刚石型金刚石型闪锌矿型闪锌矿型纤锌矿型纤锌矿型结合键：结合键：共价键共价键混合键混合键共价共价+离子离子 金刚石型结构金刚石型结构混合键混合键由两个面心立方晶由两个面心立方晶格沿立方体的空间格沿立方体的空间对角线滑移对角线滑移1/4空间空间对角线长度套构而对角线长度套构而成成每个原子被四个同一种原子包围每个原子被四个同一种原子包围 共价键共价键金刚石结构金刚石结构Ge:a=5.65754Si:a=5.43089Si、Ge都属于金刚石型结构都属于金刚石型结构闪锌矿结构和混合键闪锌矿结构和混合键每个原子被四个异族原子包围每个原子被四个异族原子包围 III-V族化合物半导体绝大多数具有闪锌矿型结构族化合物半导体绝大多数具有闪锌矿型结构 混合键混合键共价键共价键+离子键离子键共价键占优势共价键占优势 GaAs闪锌矿结构闪锌矿结构闪锌矿结构GaAs:a=5.65325纤锌矿型结构纤锌矿型结构六方对称性六方对称性 ZnO、GaN等具有纤锌矿型结构等具有纤锌矿型结构 混合键混合键共价键共价键+离子键离子键离子键占优势离子键占优势 电子的共有化运动电子的共有化运动导带、价带、禁带的形成导带、价带、禁带的形成 1.2 半导体中的电子状态与能带半导体中的电子状态与能带半导体中的电子状态半导体中的电子状态2p3sn晶体中的电子晶体中的电子共有化运动共有化运动原子组成晶体后，由于相邻原子的原子组成晶体后，由于相邻原子的“相似相似”电子壳层发生交叠电子壳层发生交叠，电子不再完全局限在某一，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上，电子将可以在整个晶体相似壳层间运动上，电子将可以在整个晶体相似壳层间运动内层电子共有化程度弱、外层强内层电子共有化程度弱、外层强能带的形成能带的形成原子间距2sE原子间距2sEr02p2p2s2s2p孤立原子孤立原子中的能级中的能级晶体中的晶体中的能带能带N个能级3N个能级允带禁带共有化运动共有化运动能级分裂能级分裂形成能带形成能带r0能带的形成是电子共有化运动的必然结果能带的形成是电子共有化运动的必然结果允带允带禁带禁带禁带禁带dps内层电子共有化运动弱，能级分裂小，能带窄；内层电子共有化运动弱，能级分裂小，能带窄；外壳层电子共有化运动显著，能带宽。外壳层电子共有化运动显著，能带宽。n能带中能量不连续能带中能量不连续,当原子数很多时，导带、当原子数很多时，导带、价带内能级密度很大，可以认为能带准连续价带内能级密度很大，可以认为能带准连续n每个能带中的能级数目与晶体中的原子数有每个能带中的能级数目与晶体中的原子数有关关n能带的宽窄由晶体的性质决定能带的宽窄由晶体的性质决定,与所含的原与所含的原子数无关子数无关Si:1s22s22p63s23p2原子间距原子间距0r0r12Ne/6N3p3s2Ne/2NEg0e/4N4Ne/4N4Ne/8N金刚石结构半导体的能带形成金刚石结构半导体的能带形成满带即价带满带即价带空带即导带空带即导带sp3杂化杂化禁带宽度禁带宽度存在轨道杂化，失去孤立原子能级与晶体能带的对应关系。杂化后能带重存在轨道杂化，失去孤立原子能级与晶体能带的对应关系。杂化后能带重新分开为上能带和下能带，上能带称为新分开为上能带和下能带，上能带称为导带导带，下能带称为，下能带称为价带价带半导体的能带半导体的能带价带价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带条件下被电子填充的能量最高的能带(valence band)导带导带：0K条件下未被电子填充的能量最低的能带条件下未被电子填充的能量最低的能带(conductance band)禁带禁带：导带底与价带顶之间能带导带底与价带顶之间能带(forbidden band)带隙带隙：导带底与价带顶之间的能量差：导带底与价带顶之间的能量差(band gap)禁带宽度禁带宽度 电子能量导带导带价带价带EgEcEv能带示意图能带示意图EgEcEv价键电子与所处能带的对应关系：价键电子与所处能带的对应关系：n成键电子处于价带成键电子处于价带n自由电子处于导带自由电子处于导带电子状态、能带与布里渊区电子状态、能带与布里渊区允带允带允带允带允带允带禁带禁带禁带禁带kE0/a-2/a3/a-/a2/a-3/a第第1第第2第第2第第3第第3布里渊区布里渊区电子在周期场中运动时其能量不连续，形成一系列允带电子在周期场中运动时其能量不连续，形成一系列允带和禁带。一个允带对应的和禁带。一个允带对应的k值范围称为值范围称为布里渊区布里渊区kE简约布里渊区简约布里渊区/a-/a0简约波矢简约波矢平移平移nk值只能取分立值值只能取分立值对应一个能级对应一个能级n布里渊区布里渊区对应一个能带对应一个能带q第一布里渊区第一布里渊区,对应内壳层分裂的能级能量对应内壳层分裂的能级能量q第二布里渊区第二布里渊区,对应较高壳层的能级能量对应较高壳层的能级能量n简约布里渊区简约布里渊区q将其他区域平移将其他区域平移2n/a移动至第一布里渊区，这时第一布里渊区称移动至第一布里渊区，这时第一布里渊区称为简约布里渊区为简约布里渊区q这一区域的波矢这一区域的波矢k 称为简约波矢称为简约波矢n允带和禁带允带和禁带q晶体中的电子能量某些能量区域是禁止的，即禁带晶体中的电子能量某些能量区域是禁止的，即禁带.允带以禁带分允带以禁带分隔隔,禁带出现在布里渊区边界禁带出现在布里渊区边界波矢波矢k能级？能级？布里渊区布里渊区能带？能带？1.3 半导体中电子的运动半导体中电子的运动 有效质量有效质量半导体导带中半导体导带中E(k)与与k的关系的关系kE简约布里渊区简约布里渊区导带导带价带价带考虑能带底或能考虑能带底或能带顶的电子能量状态带顶的电子能量状态令令则则称称 mn*为为电子的有效质量电子的有效质量以一维情况为例以一维情况为例m*的特点的特点a.决定于材料决定于材料b.与能带有关与能带有关内层内层:带窄带窄,小小,m*大大:外层外层:带宽带宽,大大,m*小小.外层电子，在外力作用下可以获得外层电子，在外力作用下可以获得较大的加速度。较大的加速度。kE简约布里渊区简约布里渊区c.m*有正负之分有正负之分能带底：能带底：E(k)E(0),mn*0能带顶：能带顶：E(k)E(0),mn*0m*00/aVm*0电子在外力电子在外力作用下运动作用下运动受到外电场力受到外电场力F外外的作用的作用内部原子、内部原子、电子相互作用电子相互作用内部势场内部势场 F内内 作用作用引入有效质量引入有效质量外力外力F外外直接和电子直接和电子的加速度相联系的加速度相联系有效质量概括有效质量概括内部势场作用内部势场作用F外外+F内内 =m0a有效质量的意义有效质量的意义F外外=mn*a讨论半导体中电子运动讨论半导体中电子运动时，可不涉及内部势场时，可不涉及内部势场1.4 半导体中载流子产生及导电机构半导体中载流子产生及导电机构载流子的产生载流子的产生(a)A photon with an energy greater than Eg can excite an electron from the VB to the CB.(b)When a photon breaks a Si-Si bond,a free electron and a hole in the Si-Si bond is created.半导体中的半导体中的载流子载流子：能够导电的自由粒子能够导电的自由粒子电子电子：带负电的导电载带负电的导电载流子，是价电子脱离原子流子，是价电子脱离原子束缚后形成的自由电子，束缚后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子对应于导带中占据的电子空穴空穴：带正电的导电载带正电的导电载流子，是价电子脱离原子流子，是价电子脱离原子束缚后形成的电子空位，束缚后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位对应于价带中的电子空位导带导带价带价带EgEcEv+空穴的波矢空穴的波矢kP、能量、能量E(kp)、有效质量、有效质量m*p及加速度及加速度：半导体中空穴的状态半导体中空穴的状态1-5 半导体的能带结构半导体的能带结构掌握硅、锗的能带结构特点掌握硅、锗的能带结构特点掌握砷化镓的能带结构特点掌握砷化镓的能带结构特点间接带隙半导体间接带隙半导体直接带隙半导体直接带隙半导体将一半导体样品放在一均匀恒定的磁场将一半导体样品放在一均匀恒定的磁场B中中,电子在磁场中作螺旋运动电子在磁场中作螺旋运动,它的回旋频它的回旋频率率c与有效质量的关系为与有效质量的关系为:回旋共振回旋共振-有效质量测量有效质量测量对于球形等能面：对于球形等能面：、分别是分别是kx、ky、kz相对于相对于B的方向余弦的方向余弦对于非球形等能面：对于非球形等能面：硅的能带结构硅的能带结构导带导带价带价带100111LXEg1.元素半导体元素半导体Si间接带隙间接带隙重空穴重空穴轻空穴轻空穴硅导带等能面示意图硅导带等能面示意图极小值点极小值点k0在坐标轴在坐标轴100上。上。共有共有6个形状一样的旋个形状一样的旋转椭球等能面转椭球等能面(1)导带导带ABCDml=0.91 m0mt=0.19 m0（2）价带）价带极大值点在坐标原点，极大值点在坐标原点，k0=0，E()为球形为球形等能面，但有两个曲率不同的面，即有两个等能面，但有两个曲率不同的面，即有两个价带价带外层：能量变化慢，外层：能量变化慢，mp*大；大；重空穴重空穴内层：能量变化快，内层：能量变化快，mp*小；小；轻空穴轻空穴2.元素半导体元素半导体Ge锗的能带结构锗的能带结构导带导带价带价带100111LXEg思考：思考：1.等能面形状？等能面形状？2.布里渊区内有布里渊区内有几个椭球？几个椭球？3.什么带隙？什么带隙？导带的极小值在导带的极小值在111方向的方向的布区边界，布区边界，E(k)为以为以111方向方向为旋转轴的椭圆等能面为旋转轴的椭圆等能面,有有8个个半椭球。半椭球。(1)导带的极小值导带的极小值(2)价带的极大值点价带的极大值点在坐标原点在坐标原点,k=0,等能面为球形等能面为球形,也有也有两个价带两个价带,分重、轻空穴分重、轻空穴ml=1.64 m0mt=0.08 m0GaAs能带结构能带结构EGaAsEg029eVLX111100直接带隙直接带隙有效质量？有效质量？(1)导带有两个极小值：导带有两个极小值：一个在一个在k=0处，为球形等能面，处，为球形等能面，另一个在另一个在111方向，为椭球等能面，能量比方向，为椭球等能面，能量比k=0处的高处的高0.29eV，价带顶也在坐标原点，价带顶也在坐标原点，k=0，球形等能面，也，球形等能面，也有两个价带，存在重、轻空穴。有两个价带，存在重、轻空穴。(2)价带价带GaAs的导带的极小值点和价带的极大值的导带的极小值点和价带的极大值点为于点为于K空间的同一点，这种半导体称为空间的同一点，这种半导体称为直接带隙直接带隙半导体。半导体。Si,Ge:导带底和价带顶不在导带底和价带顶不在k空间同一点空间同一点的半导体称为的半导体称为间接带隙间接带隙半导体。半导体。思考：思考：Si能发光吗？能发光吗？GaAs呢？发光波长是多少？呢？发光波长是多少？如何测量直接带隙半导体的禁带宽度？如何测量直接带隙半导体的禁带宽度？思考题n1.什么叫本征激发？温度越高，本征激发的载流子越多，为什么？试定性说明之。n解：在一定温度下，价带电子获得足够的能量（Eg）被激发到导带成为导电电子的过程就是本征激发。其结果是在半导体中出现成对的电子-空穴对。如果温度升高，则具有足够能量的价带电子越多，同时温度越高，禁带宽度变窄，跃迁所需的能量变小，所以将会有更多的电子被激发到导带中。n2.试定性说明Ge、Si的禁带宽度具有负温度系数的原因。n解：电子的共有化运动导致孤立原子的能级形成能带，即允带和禁带。温度升高，则电子的共有化运动加剧，导致允带进一步分裂、变宽；允带变宽，则导致允带与允带之间的禁带相对变窄。反之，温度降低，将导致禁带变宽。因此，Ge、Si的禁带宽度具有负温度系数。n3.试指出空穴的主要特征。n解：空穴是未被电子占据的空量子态，用来描述半满带中的大量电子的集体运动状态，是准粒子。主要特征如下：qA、荷正电：+q；qB、空穴浓度表示为p（电子浓度为n）；qC、EP=-EnqD、mP*=-mn*。n4.简述Ge、Si和GaAS能带结构的主要特征。n解：qGe、Si:a）Eg(Si：0K)=1.21eV；Eg(Ge：0K)=1.170eV；b）间接能隙结构导带极值：Si位于布里渊区内部(100)方向，Ge布里渊区(100)方向边界；价带极值都位于布里渊区中心，2个价带，对应轻重空穴；c）禁带宽度Eg随温度增加而减小；qGaAs：a）Eg（300K）=1.428eV，Eg(0K)=1.522eV；b）直接能隙结构导带极值位于布里渊区中心及(111)边界，中心处较低0.29eV，价带极值亦位于中心；c）Eg负温度系数特性：dEg/dT=-3.9510-4eV/K；第二章半导体中的杂质和缺陷第二章半导体中的杂质和缺陷1.浅能级杂质能级和杂质电离；浅能级杂质能级和杂质电离；2.浅能级杂质电离能的计算；浅能级杂质电离能的计算；3.杂质补偿作用杂质补偿作用 4.深能级杂质的特点和作用深能级杂质的特点和作用 1、等电子杂质；、等电子杂质；2、族元素起两性杂质作用族元素起两性杂质作用2-1 单质半导体中的杂质能级单质半导体中的杂质能级2-3 缺陷能级缺陷能级2-2 化合物半导体中的杂质能级化合物半导体中的杂质能级点缺陷对半导体性能的影响点缺陷对半导体性能的影响施主杂质施主杂质VA族的替位杂质族的替位杂质在硅在硅Si中掺入中掺入PSiSiSiSiSiSiSiSiSi磷原子替代硅原子磷原子替代硅原子后，形成一个正电后，形成一个正电中心中心P和一个多余和一个多余的价电子的价电子束缚态束缚态束缚态束缚态未电离未电离离化态离化态离化态离化态电离后电离后SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiP+SiSiSiSiSiSiSiSi施主电离能施主电离能ED=弱束缚的电子摆脱杂质原子束缚成为晶格弱束缚的电子摆脱杂质原子束缚成为晶格中自由运动的电子（导带中的电子）所需要的能量中自由运动的电子（导带中的电子）所需要的能量 ED=ECEDECEV束缚态束缚态电电离离时时，P原原子子能能够够提提供供导导电电电电子子并并形形成成正正电电中中心心施主杂质施主杂质施主杂质施主杂质。被施主杂质束缚的电子的能量比导带底被施主杂质束缚的电子的能量比导带底Ec低，称为低，称为施主施主施主施主能级能级能级能级，ED。施主杂质少，原子间相互作用可以忽略，施主能级是具施主杂质少，原子间相互作用可以忽略，施主能级是具有相同能量的孤立能级有相同能量的孤立能级+-离化态离化态ED施主杂质向导带提供电子施主杂质向导带提供电子施主杂质的电离能小，施主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。在常温下基本上电离。含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要是电子是电子N型半导体，或电子型半导体型半导体，或电子型半导体晶晶体体杂质杂质PAsSbSi0.0440.0490.039Ge0.0126 0.0127 0.0096在在Si中掺入中掺入B受主杂质受主杂质A族替位杂质族替位杂质B获得一个电子变成负离子，成为负电中心，获得一个电子变成负离子，成为负电中心，周围产生带正电的空穴。周围产生带正电的空穴。EcEvEA受主电离能受主电离能EA=空穴摆脱受主杂质束缚成为导电空穴摆脱受主杂质束缚成为导电 空穴所需要的能量空穴所需要的能量束缚态束缚态离化态离化态+-B具有具有得到电子得到电子的性的性质，这类杂质称为质，这类杂质称为受受主杂质主杂质。受主杂质向价带提供受主杂质向价带提供空穴空穴。受主杂质的电离能小，在常温受主杂质的电离能小，在常温下基本上为价带电离的电子所下基本上为价带电离的电子所占据占据空穴由受主能级向价空穴由受主能级向价带激发。带激发。含有受主杂质的半导体，其导电的载流子主要含有受主杂质的半导体，其导电的载流子主要是空穴是空穴P型半导体，或空穴型半导体型半导体，或空穴型半导体。晶晶体体杂质杂质BAlGaSi0.0450.0570.065Ge0.010.010.011施主和受主浓度：施主和受主浓度：ND、NA施主：施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半，掺入半导体的杂质原子向半导体中导体中提供导电的电子提供导电的电子，并成为带正电的离，并成为带正电的离子。如子。如Si中中掺掺的的P 和和As 受主：受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向，掺入半导体的杂质原子向半导体半导体提供导电的空穴提供导电的空穴，并成为带负电的离，并成为带负电的离子。如子。如Si中掺的中掺的B等电子杂质等电子杂质类氢模型类氢模型浅能级杂质电离能的简单计算浅能级杂质电离能的简单计算+-施主施主-+受主受主浅能级杂质浅能级杂质=杂质离子杂质离子+束缚电子（空穴）束缚电子（空穴）玻尔原子电子的运动玻尔原子电子的运动轨道半径轨道半径为：为：n=1为基态电子的运动轨迹为基态电子的运动轨迹玻尔原子模型：玻尔原子模型：运动轨道半径：运动轨道半径：类氢模型：类氢模型：剩余电子的运动半径估算：剩余电子的运动半径估算：类氢模型类氢模型电离能：电离能：氢原子中的基态电子的电离能为氢原子中的基态电子的电离能为E0=13.6eV玻尔能级：玻尔能级：玻尔原子模型玻尔原子模型剩余电子的电离能估算：剩余电子的电离能估算：EcED施主施主受主受主Ev杂质的补偿作用杂质的补偿作用半导体中同时存在施主和受主杂质，施主和受半导体中同时存在施主和受主杂质，施主和受主之间有互相抵消的作用主之间有互相抵消的作用EAE什么是杂质的高度补偿？半导体此时区别于本征半导体什么是杂质的高度补偿？半导体此时区别于本征半导体的特点？的特点？深能级杂质特点深能级杂质特点：n不容易电离，对载流子不容易电离，对载流子浓度影响不大；浓度影响不大；n一般会产生多重能级，一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也甚至既产生施主能级也产生受主能级。产生受主能级。n能起到能起到复合中心复合中心作用，作用，使少数载流子寿命降低。使少数载流子寿命降低。EcEvEDEAAu doped Silicon0.35eV0.54eV1.12eV化合物半导体中的杂质能级化合物半导体中的杂质能级 施主杂质施主杂质替代替代族元素族元素受主杂质受主杂质替代替代III族元素族元素双性杂质双性杂质IV族元素族元素等电子杂质等电子杂质同族原子取代同族原子取代(III、族元素族元素)点缺陷能级点缺陷能级空位看周边，填隙看自身空位看周边，填隙看自身例：真空制备例：真空制备(Ba,Sr)TiO3薄膜时常导致缺氧，产生薄膜时常导致缺氧，产生氧空位，请分析这时该材料的漏电机制。氧空位，请分析这时该材料的漏电机制。例：分析例：分析PbS材料中材料中Pb空位和填隙分别起施主还是空位和填隙分别起施主还是受主作用。受主作用。思考：半导体表面能否在禁带产生能级？思考：半导体表面能否在禁带产生能级？基本判断方法：基本判断方法：n1.什么叫浅能级杂质？它们电离后有何特点？n解：浅能级杂质是指其杂质电离能远小于本征半导体的禁带宽度的杂质。它们电离后将成为带正电（电离施主）或带负电（电离受主）的离子，并同时向导带提供电子或向价带提供空穴。n2.两性杂质和其它杂质有何异同？n解：两性杂质是指在半导体中既可作施主又可作受主的杂质。如-族GaAs中掺族Si。如果Si替位族As，则Si为施主；如果Si替位族Ga，则Si为受主。所掺入的杂质具体是起施主还是受主与工艺有关，需具体分析。思考题n3.什么叫施主？什么叫施主电离？施主电离前后有何特征？试举例说明之，并用能带图表征出n型半导体。n解：半导体中掺入施主杂质后，施主电离后将成为带正电离子，并同时向导带提供电子，这种杂质就叫施主。施主电离成为带正电离子（中心）的过程就叫施主电离。施主电离前不带电，电离后带正电。例如，在Si中掺P，P为族元素，本征半导体Si为族元素，P掺入Si中后，P的最外层电子有四个与Si的最外层四个电子配对成为共价电子，而P的第五个外层电子将受到热激发挣脱原子实的束缚进入导带成为自由电子。这个过程就是施主电离。n型半导体的能带图如图所示：其费米能级位于禁带上方，接近导带底n4.什么叫受主？什么叫受主电离？受主电离前后有何特征？试举例说明之，并用能带图表征出p型半导体。n解：半导体中掺入受主杂质后，受主电离后将成为带负电的离子，并同时向价带提供空穴，这种杂质就叫受主。受主电离成为带负电的离子（中心）的过程就叫受主电离。受主电离前带不带电，电离后带负电。例如，在Si中掺B，B为族元素，而本征半导体Si为族元素，P掺入B中后，B的最外层三个电子与Si的最外层四个电子配对成为共价电子，而B倾向于接受一个由价带热激发的电子。这个过程就是受主电离。p型半导体的能带图如图所示：其费米能级位于禁带下方，接近价带顶n5.掺杂半导体与本征半导体之间有何差异？试举例说明掺杂对半导体的导电性能的影响。n解：在纯净的半导体中掺入杂质后，可以控制半导体的导电特性。掺杂半导体又分为n型半导体和p型半导体。例如，在常温情况下，本征Si中的电子浓度和空穴浓度均为1.01010cm-3。当在Si中掺入1.01016cm-3后，半导体中的电子浓度将变为1.01016cm-3，而空穴浓度将近似为1104cm-3。半导体中的多数载流子是电子，而少数载流子是空穴。n6.深能级杂质和浅能级杂质对半导体有何影响？n解：深能级杂质在半导体中起复合中心或陷阱的作用，一般不影响导电性能。浅能级杂质在半导体中起施主或受主的作用，影响载流子浓度，从而影响导电性。n7.何谓杂质补偿？杂质补偿的意义何在？n解：当半导体中既有施主又有受主时，施主和受主将先互相抵消，剩余的杂质最后电离，这就是杂质补偿。利用杂质补偿效应，可以根据需要改变半导体中某个区域的导电类型，制造各种器件。第三章第三章 热平衡态半导体中载流子热平衡态半导体中载流子的统计分布的统计分布n3.1 热平衡状态热平衡状态n3.2 状态密度状态密度n3.3 热平衡态时电子在量子态上的分布几率热平衡态时电子在量子态上的分布几率n3.4 热平衡时热平衡时非简并半导体非简并半导体的载流子浓度的载流子浓度n3.5 本征半导体的费米能级和载流子浓度本征半导体的费米能级和载流子浓度n3.6 非简并杂质半导体的载流子浓度非简并杂质半导体的载流子浓度n3.7 简并半导体简并半导体(degenerate semiconductor)计算本征半导体计算本征半导体(intrinsic semiconductor)和杂和杂质半导体质半导体(extrinsic semiconductor)的的热平衡状热平衡状态态时时载流子浓度载流子浓度及及费米能级费米能级位置，讨论载流子浓位置，讨论载流子浓度、费米能级与杂质浓度、温度的关系度、费米能级与杂质浓度、温度的关系 导带导带价带价带T1.载流子分布载流子分布2.载流子影响因素载流子影响因素在一定的温度在一定的温度T下，存在：下，存在：载流子载流子产生产生过程过程本征激发本征激发杂质激发杂质激发载流子载流子复合复合过程过程电子从导带回到价带或杂质能级上电子从导带回到价带或杂质能级上一、热平衡状态一、热平衡状态EcEv产生产生复合复合ED载流子浓度保持稳定载流子浓度保持稳定 热平衡状态热平衡状态无外来作用无外来作用(光、电、磁等光、电、磁等)二、热平衡时二、热平衡时非简并半导体非简并半导体的载流子的载流子浓度浓度n0和和p0导带电子浓度导带电子浓度n0和价带空穴浓度和价带空穴浓度p0g(E)EFECEVg(E)f(E)10.5000f(E)n0f(E)gc(E)gv(E)1-f(E)p0ENcNv载流子的统计分布载流子的统计分布载流子浓度积：载流子浓度积：对于一定的半导体材料，热平衡态时载流子浓对于一定的半导体材料，热平衡态时载流子浓度积仅与温度有关，而与是否掺杂及掺杂浓度度积仅与温度有关，而与是否掺杂及掺杂浓度无关无关 热平衡状态判据热平衡状态判据三、本征半导体的费米能级和载流子浓度三、本征半导体的费米能级和载流子浓度1.本征载流子浓度本征载流子浓度ni、300 K硅硅锗锗砷化镓砷化镓Eg1.12ev0.67ev1.428evni2、本征半导体的费米能级、本征半导体的费米能级对某些窄禁带半导体不然对某些窄禁带半导体不然，如，如InSb，Eg=0.17eV，mdp/mdn 32，EF=Ei+0.068 eV Ei对于多数本征半导体，可以认为本征费米能级位于禁带对于多数本征半导体，可以认为本征费米能级位于禁带中心，而且不随温度变化中心，而且不随温度变化本征半导体：+杂质半导体：n0p0EF电中性条件电中性条件？四、非简并杂质半导体的载流子浓度四、非简并杂质半导体的载流子浓度电中性条件：电中性条件：no+pA-=po+nD+分析不同温度范围，确定费米能级分析不同温度范围，确定费米能级EF导带导带价带价带pA-p0n0nD+T杂质离化区杂质离化区本征激发区本征激发区过渡区过渡区低温弱电离区低温弱电离区中间电离区中间电离区强电离区强电离区载流子由杂载流子由杂质电离提供质电离提供杂质部分电离杂质部分电离杂质全部电离杂质全部电离载流子由杂质电离和本征激发提供载流子由杂质电离和本征激发提供载流子主要由本征激发提供载流子主要由本征激发提供1.低温弱电离区低温弱电离区温度很低，温度很低，kTEDEg，本征激发忽略，本征激发忽略本征激发很小，本征激发很小，po=0 可忽略可忽略电中性条件电中性条件no=nD+以只含有以只含有ND一种施主杂质为例一种施主杂质为例A.n 型半导体载流子浓度和费米能级型半导体载流子浓度和费米能级no+pA-=po+nD+可简化为：可简化为：将将 n0、nD+代入，得：代入，得：温度很低时，温度很低时，nD+ND EFEC ni ND EFEi T，NC、ni，EFND，EF 3.过渡区过渡区电中性条件：电中性条件：杂质全部电离，本征激发不能忽略杂质全部电离，本征激发不能忽略4.本征激发区本征激发区 杂质全电离杂质全电离本征载流子浓度大本征载流子浓度大电中性条件电中性条件ECEDEiTEF弱电离区弱电离区强电离区强电离区过渡区过渡区本征区本征区费米能级随温度的变化费米能级随温度的变化N型半导体费米能级、电子浓度随温度的变化情况型半导体费米能级、电子浓度随温度的变化情况ND0niTn0弱电离区弱电离区强电离区强电离区过渡区过渡区本征区本征区载流子浓度随温度的变化载流子浓度随温度的变化同时应注意费米能级、电离情况的对应关系同时应注意费米能级、电离情况的对应关系N型半导体型半导体费米能级费米能级随杂质浓度的变化情况随杂质浓度的变化情况(室温室温)niNCECEiEFNDN型半导体型半导体电子浓度电子浓度随杂质浓度的变化情况随杂质浓度的变化情况niNCNCnin0ND掺杂上限掺杂上限:室温时：室温时：NC=2.81019/cm3，ED=0.044ev(ND)max=31017/cm3(ND)min=10ni(500K)掺杂下限掺杂下限:查表得：查表得：T=500K时，时，ni=51014/cm3(ND)min=51015/cm3 例：例：计算工作温度在室温到计算工作温度在室温到500K的掺的掺P的的Si半导体的掺杂施主浓度范围。半导体的掺杂施主浓度范围。Tmin=300K，Tmax=500K 思考：思考：1.Si在室温下正常工作的掺杂施主浓度范围？在室温下正常工作的掺杂施主浓度范围？2.Si掺入掺入P的浓度为的浓度为1013/cm3，求其工作温区？，求其工作温区？例例 1）计算下面两种材料中在室温下的载流）计算下面两种材料中在室温下的载流子浓度：子浓度：（1）掺入密度为）掺入密度为1014/cm3 B的锗材料；的锗材料；（2）掺入密度为）掺入密度为1014/cm3 B的硅材料。的硅材料。2）制作一种）制作一种p-n结需要一种结需要一种P型材料，工作温型材料，工作温度是室温（度是室温（300K）,试判断上面两种材料中哪试判断上面两种材料中哪一种适用，并说明理由。一种适用，并说明理由。（在室温下，硅：（在室温下，硅：ni=1.51010/cm3 锗：锗：ni=2.41013/cm3）解：解：1）掺入）掺入锗：锗：ni/NA=24%，故该，故该P型材料处于型材料处于过渡区过渡区掺入硅：掺入硅：niEFi。证明：设nn为n型半导体的电子浓度，ni为本征半导体的电子浓度。显然nnni3-2、试分别定性定量说明：、试分别定性定量说明：1.在一定的温度下，对本征材料而言，材料的在一定的温度下，对本征材料而言，材料的禁带宽度越窄，载流子浓度越高；禁带宽度越窄，载流子浓度越高；在一定的温度下，对本征材料而言，材料的禁带宽度越在一定的温度下，对本征材料而言，材料的禁带宽度越窄，则跃迁所需的能量越小，所以受激发的载流子浓度窄，则跃迁所需的能量越小，所以受激发的载流子浓度随着禁带宽度的变窄而增加。随着禁带宽度的变窄而增加。由公式：由公式：也可知道，温度不变而减少本征材料的禁带宽度，上式也可知道，温度不变而减少本征材料的禁带宽度，上式中的指数项将因此而增加，从而使得载流子浓度因此而中的指数项将因此而增加，从而使得载流子浓度因此而增加。增加。2.对一定的材料，当掺杂浓度一定时，温度对一定的材料，当掺杂浓度一定时，温度越高，载流子浓度越高。越高，载流子浓度越高。对一定的材料，当掺杂浓度一定时，温度越高，受对一定的材料，当掺杂浓度一定时，温度越高，受激发的载流子将因此而增加。激发的载流子将因此而增加。由公式由公式可知这时两式中的指数项将因此而增加，从而导致载流子这时两式中的指数项将因此而增加，从而导致载流子浓度增加浓度增加。第四章第四章 半导体中载流子在电磁场半导体中载流子在电磁场中的运动中的运动n4.1 载流子的漂移运动和载流子的漂移运动和迁移率迁移率n4.2 载流子的载流子的散射散射 散射理论散射理论n4-3 迁移率及电阻率与温度和杂质浓度的关系迁移率及电阻率与温度和杂质浓度的关系(弱弱电场电场)n4.4 Boltzman方程方程n4.5 强电场效应强电场效应n4.6 半导体的半导体的霍耳效应霍耳效应n4.7 半导体的磁阻效应半导体的磁阻效应掌握载流子的漂移运动，载流子的散射，迁移率与杂质浓掌握载流子的漂移运动，载流子的散射，迁移率与杂质浓度和温度的关系度和温度的关系,霍耳效应。理解强电场效应霍耳效应。理解强电场效应,磁阻效应磁阻效应1.半导体的电导率与散射半导体的电导率与散射称为称为迁移率迁移率，表示单位场强下的平均漂，表示单位场强下的平均漂移速度，移速度，反映了载流子在电场作用下输运反映了载流子在电场作用下输运能力能力.载流子的散射载流子的散射 平均自由程平均自由程：连续两次散射之间的自由运：连续两次散射之间的自由运动的平均路程。动的平均路程。平均自由时间平均自由时间：连续两次散射之间的自由：连续两次散射之间的自由运动的平均时间。运动的平均时间。散射几率散射几率：P,描述散射的强弱。描述散射的强弱。单位时间单位时间内一个载流子受到散射的次数。内一个载流子受到散射的次数。平均自由时间等于散射几率的倒数平均自由时间等于散射几率的倒数迁移率和电导率与平均自由时间的关系迁移率和电导率与平均自由时间的关系空穴的迁移率空穴的迁移率:电子的迁移率电子的迁移率:电子电导率电子电导率:空穴电导率空穴电导率:低温、掺杂浓度高低温、掺杂浓度高2.载流子的散射机构载流子的散射机构1.电离杂质的散射电离杂质的散射(库仑散射库仑散射)2.晶格散射（格波散射）晶格散射（格波散射）纵声学波纵声学波原子疏密变化原子疏密变化 附加附加形变势形变势能带极值变化能带极值变化 Eg变化变化纵声学波的散射几率纵声学波的散射几率Ps与温度的关系为：与温度的关系为：纵光学波纵光学波离子晶体离子晶体极化场极化场对原子晶体：对原子晶体：主要是纵声学波散射；主要是纵声学波散射；对离子晶体对离子晶体(化合物化合物)：还有纵光学波散射。还有纵光学波散射。低温时，晶格散射较弱主要是电离杂质的低温时，晶格散射较弱主要是电离杂质的散射；散射；高温时，主要是晶格散射。高温时，主要是晶格散射。散射与温度的关系：散射与温度的关系：TT3/2T-3/2低温低温高温高温1019101810171015NiT1013杂质浓度杂质浓度Ni的影响的影响 Ni 小小(1017/cm3)，晶格散射显著，晶格散射显著，与与Ni无关；无关；Ni大大(1017/cm3)，杂质散射显著，杂质散射显著，随随Ni的增加而下降。的增加而下降。Ni1017/cm33.半导体材料电阻率与温度和杂半导体材料电阻率与温度和杂质浓度的关系质浓度的关系 电阻率的一般公式：电阻率的一般公式：N型半导体：型半导体：P型半导体：型半导体：本征半导体：本征半导体：1 本征半导体材料本征半导体材料 T，ni，i n+psT-3/2，T，i Ti T本征半导体材料具有负的电阻温度系数本征半导体材料具有负的电阻温度系数 (1)与与ND的关系的关系(T 恒定恒定)ND1017/cm3，noND，s ND1017/cm3，no=nD+ND，s2 杂质半导体材料杂质半导体材料 电阻率电阻率杂质杂质浓度浓度ND1017/cm-3 弱电离区弱电离区 non+D ；iT，nD+，i，TnoTT 2.与与T 的关系的关系(ND恒定恒定)低温区低温区 饱和区饱和区 no=ND，s T，TnoNDTT低温区低温区 饱和区饱和区 本征区本征区 T，ni，TnoNDTT低温区低温区 饱和区饱和区本征区本征区4 强电场效应强电场效应 在强电场中，迁移率随电场的增加而变化，这在强电场中，迁移率随电场的增加而变化，这种效应称为强电场效应。种效应称为强电场效应。电场强度电场强度|E|(V/cm)J、VdSi(p)Si(n)Ge(p)Ge(n)754326510101010101010电场强度电场强度|E|(V/cm)平均平均漂移漂移速度速度Vd(cm/s)GaAs的负阻效应的负阻效应负微分电导区负微分电导区极值点在坐标原点极值点在坐标原点 1：mn*=0.067mo 极值点在极值点在(111)2：mn*=0.55mo EGaAsEg029eVLX111100121 2EVd12负阻效应负阻效应lbdExBzIEy-C+AzyxP型半导体霍耳效应的形成过程型半导体霍耳效应的形成过程VH5 半导体的霍耳效应半导体的霍耳效应lbdExBzIEy-C+AzyxlbdExBzIEy-C+AzyxlbdExBzIEy-C+Azyx两种载流子两种载流子同时存在同时存在霍尔效应霍尔效应？ExBzI-+zyx霍耳系数：霍耳系数：(1)本征半导体：本征半导体：n=p=ni1/TRH()例：例：ZnS (2)N 型半导体型半导体 饱和区饱和区 为常数为常数 温度再升高，少子浓度升高温度再升高，少子浓度升高 无论温度多高，无论温度多高，RH 始终小于始终小于0，并且随，并且随T 升高，升高，始终下降。始终下降。T,1/TRH()()饱和区饱和区过渡区过渡区本征区本征区()(3)p型半导体型半导体 饱和区饱和区 为常数为常数 过渡区过渡区 T,p-nb2(p+nb)2 当当 p-nb2 0，RH 0 当当 nb2=p 时，时，RH0|p-nb2|，|RH|RH 当当 p-nb2 0，RH 0 1/TRH(+)(+)(